（电气工程专业论文）基于虚拟仪器的内燃机车辅助电机测控系统.pdf

j e 立奎垣盔堂童些亟堂焦迨塞生塞擅墨 中文摘要 摘要：随着铁路提速和运营生产的市场化，机车运行负荷逐年增加，机车检 修也在逐步实现自动化、数字化，以利于逐步提高检修的速度和质量，降低检修 成本。另一方面，对机车检修数据进行有效的记录管理，建立机车关键设备的状 态参数数据库，实现对机车状态的有效控制已是大势所趋。而辅助电机作为内燃 机车的重要元件，其工作特性的好坏对内燃机车的性能和铁路安全运输具有十分 重要的意义。这对于辅助电机检修试验提出了更高的要求，它除了要满足基本的 电机测试功能外，还必须具备自动化和数字化的特点。日益复杂的测试任务和测 试条件迫切需要功能更强大、成本更低廉、系统更灵活的新一代测试技术。虚拟 仪器技术是计算机技术与仪器技术深层次结合的产物，它具有扩展性强、灵活性 好，开发周期短等优点。以计算机总线技术和虚拟仪器技术为核心的新技术正广 泛应用于测试技术领域，本文即以内燃机车辅助电机的测试为背景，研究虚拟仪 器技术在此测试领域的具体应用与实现。 目前的辅助电机试验装置多为传统的模拟接触式设备，要采用手动调节、开 关控制，存在测试时操作不方便、界面不友好等缺点，而且都不能实时观察电机 的特性曲线图，不能使测试人员对电机整体性能有一个全面的了解；其故障率高、 可靠性差、自动化程度低，难以建立完备的机车检修的数据信息库，这已成为制 约检修生产数字化和信息化的瓶颈。针对内燃机车用辅助电机的测试，本文研制 了一种基于虚拟仪器的机车辅助电机测控系统，改变传统的电机测试方法，把计 算机强大的计算处理能力和仪器设备硬件的测量、控制能力结合在一起，实现电 机测试系统的高精度、适应性、实时性、小型化、一体化、智能化、网络化，方 便了现场的使用；同时该系统是一个开放性系统，易于扩展，而且可以大幅度提 高抗干扰能力和工作效率。 本文在简要叙述虚拟仪器技术的基础上，从测试系统总体设计、硬件、软件 设计三个方面对系统做了详细介绍。测试系统主要由p c 机、数据采集卡和应用软 件三部分组成，其中数据采集卡选用n i 公司的p c i 一6 0 1 4 多功能数据采集卡，系统 的测试软件采用n i 公司专用的虚拟仪器开发平台l a b v i e w 进行开发。系统实现后， 能对多种的内燃机车用辅助电机进行性能测试。实际验证结果表明，系统各项操 丝夏至重盔堂童塾亟堂焦j 幺塞主塞捕至 作功能满足设计要求，测试精度达到技术指标的规定，测试系统对各测量参数的 记录波形与模拟信号发生器所输出的波形基本一致；与传统的辅助电机测试仪器 相比具有优秀的人机交互界面操作简单方便，精度更高；实际结果证明该系统 具有良好的实用性和可扩展性。 关键词：内燃机车；辅助电机；测试系统；虚拟仪器；l a b v i e w j e 夏窑堕丕堂童些亟堂焦j 金塞曼! i a b s t r a c t b e c a u s et h er a i l r o a dl i f t sq u i c k l ya n dm a k eal i v i n gt op r o d u c ew i t h l u c ko ft h em a r k e tt u r n ，l o c o m o t i v er u n t i m et h eb u r d e ni n c r e a s e sy e a r b yy e a r ，l o c o m o t i v ei n s p e c t i o na n dr e p a i ra l s og r a d u a l l yc a r r yo u t a u t o m a t i o n ，d i g i t i z e ，w i t he x a l t a t i o no v e r h a u lo fs p e e da n dm a s s s t e p d o w n o v e r h a u lc o s t o nt h eo t h e rh a n d ， c a r r yo na nu s e f u lr e c o r dm a n a g e m e n t t ot h el o c o m o t i v ei n s p e c t i o na n dr e p a i rd a t a ，c r e a t eal o c o m o t i w ek e yt h e d a t a b a s eo fs t a t u sp a r a m e t e ro ft h ee q u i p m e n t ，t h er e a l i z a t i o ni sa l r e a d y a i li r r e s i s t i b l eg e n e r a lt r e n dt ot h ev a l i dc o n t r o lo fl o c o m o t i v es t a t u s b u tt h ea s s i s t a n c ed y n a m ob et h ei m p o r t a n tc o m p o n e n to fd i e s e ll o c o m o t i v e ， t h eq u a l i t yo fi t so p e r a t ec h a r a c t e r i s t i ch a st of u l li m p o r t a n tm e a n i n g t op e r f o r m a n c ea n dt h er a i l r o a ds a f ec a r r i a g eo fd i e s e ll o c o m o t i r e t h i s p u tf o r w a r dh i g h e rr e q u e s tt ot h eo v e r h a u lt e s to ft h ea s s i s t a n c ed y n a m o ， i ti na d d i t i o nt ow a n t i n gt os a t i s f yas t a n d a r dd y n a m ot e s tf u n c t i o n h a v e t oa l s oh a v et h ec h a r a c t e r i s t i c so fa u t o m a t i o na n dd i g i t i z e c o m p l i c a t e d t e s tt a s ka n dt e s tc o n d i t i o nu r g e n t l yn e e dd a yb yd a yt h ef u n c t i o ni s s t r o n g e r ，t h ec o s tb ec h e a p e r ，s y s t e mm o r ev i v i dn e wg e n e r a t i o nt e s t t e c h n i q u e t h ev i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n i q u ei st h eo u t c o m ef o rc o m b i n eo f c a l c u l a t o rt e c h n i q u ea n dt h ei n s t r u m e n tt e c h n i q u ed e e p t i m e ，i th a st o e x p a n ds e xs t r o n g ，v i v i dg o o d ，d e v e l o p m e n tc y c l es h o r ta d v a n t a g e t a k et h e t e c h n i q u eo fc a l c u l a t o re l e c t r i cm a i n sa n dt h ev i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n i q u e a st h en e wt e c h n i q u ep o s i t i v eo fn u c l e u si se x t e n s i v e l ya p p l yi nt e s t t e c h n i q u er e a l m ，t h i st e x tn a m e l yw i t hd i e s e ll o c o m o t i v ea s s i s t a n c ed y n a m o o ft e s tf o rb a c kg r o u n d ，s t u d yav i r t u a li n s t r a m e n tt e c h n i q u et ot e s tr e a l m a tt h i so fc o n c r e t ea p p l i c a t i o na n dr e a l i z a t i o n c u r r e n ta s s i s t a n c ed y n a m ot e s td e v i c ep o l y i st r a d i t i o n a lo fi m i t a t e c o n t a c tt y p ee q u i p m e n t ，a d o p th a n do p e r a t i o nc o n d i t i o n i n g ，b a n g b a n g c o n t r o l ，o p e r a t ew h i l ee x i s t i n gat e s ti n c o n v e n i e n t ，i n t e r f a c ea n t ia m i t y e t c d e f e c t ，a n da 1 1i n c a p a b i l i t ys o l i dh o u ro b s e r v et h ec h a r a c t e r i s t i c c u r v ec h a r to fd y n a m o ，c a n tm a k et e s tp e r s o n n e lt oh a v ea f to v e r a ll u n d e r s t a n d i n gt ot h ed y n a m ow h o l ep e r f o r m a n c e ： i t sf a u l tr a t eh i g h e r 一， r e li a b il it ya r eb a d a u t o m a t et h ed e g r e eb el o wa n dish a r dt oc r e a t et h e 韭裹窑鋈盍堂童些亟堂焦途童星塞! 至 d a t ai n f o r m a t i o no fc o m p l e t el o c o m o t i v ei n s p e c t i o na n dr e p a i rd a t a b a s e ， t h i sh a sb e c o m et h ep r o d u c t i o nd i g i t i z eo ft h ec h e c ka n ds u p e r v i s i o n o v e r h a u la n di n f o r m a t i o n b a s e db o t t l e n e c k a i ma tt h i sc i r c u m s t a n c e t h i s t e x td e v e l o p e d1k i n dt om e a s u r et oc o n t r o ls y s t e ma c c o r d i n gt ot h e l o c o m o t i v ea s s i s t a n c ed y n a m oo fv i r t u a li n s t r u m e n t ，c h a n g eat r a d i t i o n a l d y n a m ot e s tam e t h o d ，m a k et h em e a s u r e m e n to ft h ec a l c u l a t o rs t r o n g c o m p u t i n gp r o c e s s i n ga b i l i t ya n di n s t r u m e n te q u i p m e n th a r d w a r ec o n t r o lt h e c a p a b i l i t ya n dc o m b i n et o g e t h e ra n dc a r r yo u tad y n a m ot e s tt h eh i g h d e f i n i t i o n ，a d a p t a b i l i t yo ft h es y s t e m , s o l i dt h eh o u r ，m i n i a t u r i z a t i o n ， i n t e g r a lw h o l et u r n ，t h ein t e l1i g e n c et u r n ，t h en e t w o r kt u r n 。c o n v e n ie f l c e t h es p o to fu s a g e ：t h a ts y s t e mi s1t oo p e ns e xs y s t e mi nt h em e a n t i m e ， b ee a s yt oe x p a n d ，a n dc a ns i g n i f i c a n tc a p a b i l i t ya n dw o r k i n ge f f i c i e n c y o ft h ee x a l t a t i o na n t i j a m m i n g a i ma tt h ed i e s e ll o c o m o t i v eu s e sat e s to fl e n ds u p p o r tt ot h ed y n a m o ， t h i st e x td e s c r i b e sv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n i c a lf o u n d a t i o ni nt h es y n o p s i s u p ，t o t a ld e s i g nf r o mt h et e s ts y s t e m ，t h eh a r d w a r e ，s o f t w a r ed e s i g n e d3 t om a k ed e t a i l e di n t r o d u c t i o nt ot h es y s t e m t e s ts y s t e mi sm a i n l yc o l l e c t c a r db yp cm a c h i n e ，d a t aa n da p p l ys o f t w a r et h r e ef r a c t i o nc o m p o s i t i o n ， a m o n gt h e m ，t h ed a t ac o l l e c tc a r dt oc h o o s et h em u l t i - f u n c t i o nd a t ao ft h e p c i 一6 0 1 4o fu s et h en ic o m p a n yt oc o ll e c tc a r d ，t h et e s ts o f t w a r eo ft h e s y s t e ma d o p t i o nn ic o m p a n ya p p r o p r i a t i v ev i r t u a li n s t r u m e n td e v e l o p m e n t p l a t e nl a b v i e wp r o g r e s sd e v e l o p m e n t a f t e rs y s t e mc a r r yo u t ，t h ee n e r g y u s e st h ep r o g r e s sp e r f o r m a n c et e s to ft h ea s s i s t a n c ed y n a m ot ot h ed i e s e l l o c o m o t i v eo fv a r i o u st y p e s p h y s i c a l l yv e r i f i c a t i o nr e s u l te x p r e s s ， s y s t e mv a r i o u so p e r a t i o nf u n c t i o n ss a t i s f yd e s i g nr e q u e s t ，t e s tt h e p r o v i s i o nt h a tt h ea c c u r a c ya t t a i n st e c h n i q u eb e a c o n ，t e s ts y s t e mt or e c o r d w a v e f o r ma n de m u l a t i o ns i g n a lg e n e r a t o ro fe a c hm e a s u r e m e n tp a r a m e t e rb a s i c t h eo u t p u t 7 sw a v e f o r mc o n s i s t e n t ：c o m p a r ew i t ht r a d i t i o n a lt e s ti n s t r u m e n t o ft h ea s s i s t a n c ed y n a m ot oh a v ea ne x c e l l e n tp e r s o n sm a c h i n ea l t e r n a t e i n t e r f a c e ，o p e r a t ei nb r i e fc o n v e n i e n t ，t h ea c c u r a c yi sh i g h e r ：t h ea c t u a l r e s u l tp r o v et h a tt h a ts y s t e mh a sg o o df u n c t i o na n dc a ne x p a n ds e x k e y w o r d ：d i e s e ll o c o m o t i r e ；l e n ds u p p o r tt od y n a m o ：t e s ts y s t e m ：v i r t u a l i n s t r u m e n t ：l a b v i e w 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：田凤玲 导师签名： 签字日期：2 0 0 7 年1 1 月2 0 日签字日期：年月日 韭宝至通盔堂童些亟堂焦纶塞丝剑性童盟 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：田风玲签字日期；2 0 0 7 年1 1 月2 0 日 致谢 在本人攻读硕士学位的三年时间里，得到了导师张奕黄教授的悉心指导 和无微不至的关怀与照顾。本论文的选题、设计、完成以及论文的审阅等方 面更是凝聚了导师大量的心血。导师严谨求实的学风、认真踏实的工作作风， 科学的工作方法以及积极向上的人生态度都将使我受益终生。在此谨向导师 张奕黄教授致以最诚挚的敬意，并表示衷心的感谢l 在学习和论文研究过程中，还得到了我单位宫建基高工、徐春梅老师、 刘文明老师的热情指导；同时邹卫霞博士、沈泓硕士、张健硕士、孙海波硕 士、叶淑霞硕士、于乃术硕士等都对我的科研工作和论文提出了许多的宝贵 意见，在此向他们表示由衷的感谢! 本文的顺利完成是与师长、朋友和同学们的鼎力帮助分不开的，对 此我将牢记终生。 我愿以此论文报答和宽慰我的父母和亲人，我深深地感谢他们为我 成长做出的一切。 衷心感谢在百忙之中评阅本论文的各位专家。 韭塞套望盔堂童些亟堂建盈塞至i直 1 引言 1 1 传统内燃机车辅助电机测试方法的现状及问题 随着铁路提速和运营生产的市场化，机车运行负荷逐年增加，机车检修也在 逐步实现自动化、数字化，以提高检修的速度和质量，降低检修成本。另一方面， 对机车检修数据进行有效的记录管理，建立机车关键设备的状态参数数据库，实 现对机车状态的有效控制已是大势所趋。而辅助电机作为内燃机车的重要元件， 其工作特性的好坏对内燃机车的性能和铁路安全运输具有十分重要的意义。这对 于辅助电机检修试验提出了较高的要求，它除了要满足基本的电机测试功能外， 还必须具备自动化和数字化的特点。日益复杂的测试任务和测试条件迫切需要功 能更强大、成本更低廉、系统更灵活的新一代测试技术。 内燃机车辅助电机主要包括启动发电机、励磁发电机、空压机电机、制动电 阻器风机电机等。通常在大修以后，都需要进行相应试验，因此铁路系统各机务 段和内燃机车大修工厂广泛使用内燃机车辅助电机试验台。目前的辅助电机试验 装置多为传统的模拟接触式设备，需要采用手动调节、开关控制，存在测试时操 作不方便、界面不友好等缺点，而且都不能实时观察电机的特性曲线图，不能使 测试人员对电机整体性能有一个全面的了解：其故障率高、可靠性差、自动化程 度低，难以建立完备的机车检修的数据信息库，这已成为制约检修生产数字化和 信息化的瓶颈。 为解决上述问题，开发出一种新型内燃机车辅助电机试验台，实现一套系统 能完成多类电机( 启动发电机为直流发电机，励磁发电机为交流发电机，空压机 电机和制动电阻器风机电机为直流电动机) 的多种试验，实现试验台的全自动控 制，同时便于试验信息的计算机集中管理，以改善电机测试状态、提高测试精度 成为机车检修工作中的一个热点。 1 2 内燃机车辅助电机测试方法的智能化发展趋势 由于传统的电机测试系统在技术方面、管理方面的确存在着很多的弊端，已 韭虚窑埋盔堂童些亟堂焦硷童i i 宣 经不能适应信息时代下的铁路跨越式发展的需要。为了解决传统的辅助电机测试 装置存在的种种问题，各类智能化测试电机设备纷纷应运而生。 电机测试仪器经历了模拟仪器、数字化仪器和智能仪器三个阶段。模拟仪器 的基本结构是电磁机械式的，采用模拟器件组成各种电路，精度低、速度馒、适 应性差；而数字化仪器如数字转速表等，主要由数字电路来实现，在测试精度、 速度和仪器寿命等方面都比模拟仪器有较大的提高。随着数字信号处理技术及大 规模集成电路的发展，出现了以微机为核心的智能仪器，但由于其是以功能模拟 的形式存在的，无论开发还是应用，都缺乏灵活性。2 0 世纪8 0 年代后期，微机性 能得到极大提高，而且测试分析的通用软件开发平台的成功应用，使得虚拟仪器 应运而生。利用虚拟仪器技术，用户可以自定义仪器的功能，创建3 2 位编译程序， 从而提高了常规数据采集和测试等任务的运行速度。 国内内燃机车辅助电机试验设备发展情况 随着电子技术、计算机网络通信技术以及仪器仪表技术的发展，在内燃机车 辅助电机试验设备方面，出现了多种类型多种方法的尝试。试验设备适合机车运 用检修的生产实践，并且投资小、可靠性高、使用范围广泛、便于内燃机车辅助 电机信息管理是一个共同的发展目标。近年来上述检测领域内出现的实验设备， 主要有下列几大类： 、利用电力电子器件和单片机控制电路来完成辅助电机自动测试的试验台。 该类型试验台设计的核心是构建一个电机自动测试系统，能够进行空载和负 载试验，要求测试自动化程度较高，安全可靠，测量准确度较高。系统的主要功 能有两个：一是对电机试验工况的自动控制，二是对电机试验数据迸行自动采集 处理。试验系统由主控制台和计算机测控系统两大部分组成，主控制台包括试验 电源、继电接触控制组、传感器、变压器、控制开关、数字显示仪表等。计算机 测控系统，由单片机及其外围电路组成的下位机系统完成对电机被测量的数据采 集，并与上位机通信将数据送去处理；同时接收上位机发出的控制信号，输出数 字脉冲串，对可控硅触发移相以控制电机的运行。上位机主要负责对试验数据进 行计算、分析和处理，以数字和曲线图的方式显示，并打印输出试验报告：同时 对电机发出控制信号。试验台设有计算机通信接口，利用计算机测控系统实现测 韭宝銮适太堂圭些亟堂僮趁 塞j l直 试过程的自动控制。 2 、以闭环直流调速系统为特点的辅助电机综合试验台。 该类型试验台的重点是双闭环直流调速系统。双闭环直流调速系统采用闭环 控制，电流、电压调节互不干扰。在电路设计上具有严格的连锁，从技术上保证 了操作的正确性。双闭环控制直流调速系统的特点是电动机的转速和电流分别由 两个独立的调节器分别控制，且转速调节器的输出是电流调节器的给定，因此电 流环能够随转速的偏差调节电动机电枢的电流，当转速低于给定转速时，转速调 节器的积分作用使输出增加，并通过电流环调节使电动机电流增加，从而使电动 机获得转速，电动机转速上升。当实际转速高于给定值时，转速调节器的输出减 少，通过电流环调节使电动机电流下降，电动机将因为电磁转矩减少而减速。 试验台微机控制系统分手动和自动两大部分。手动控制时操作人员通过试验 台的按钮、可调电位器和可编程控制器来控制整个试验过程。其硬件系统包括： 显示器、工控机、输入输出板卡、可编程控制器、传感器、电机试验安装平台、 双闭环直流调速模块、恒流恒压控制模块、打印机等。软件设计主要采取层次化、 结构化、模块化程序设计特点。这种分层的模块化程序设计方法可以惊人地缩小 程序调试的输入集，简化程序，而且使得软件易于修改和扩充。 3 、用于进行辅助电机负荷试验的试验台。 该类试验台是用于检测辅助电机在额定负荷工况下的轴输出功率、转速、温升 和火花等级的专用设备，由可控硅直流电源、试验底座、陪试发电机、电阻箱和总 控制台5 个部分组成。可控硅直流电源为被试辅助电机提供动力，由辅助电机拖动 陪试发电机旋转，使发电机处在发电状态，再通过电阻箱放电，辅助电机将在额定 负荷状态下运行，整个试验过程受总控制台控制。 该装置可解决辅助电机检修后按传统的工艺和条件只迸行空转试验，而不能进 行额定负荷试验，无法掌握辅助电机在额定负荷工况下的质量状态，不能有效控制 辅助电机的装车质量的问题，提高了内燃机车辅助电机的检修质量，减少了机破临 修率。 4 、基于虚拟仪器的电机试验系统 由于计算机技术发展迅猛且具有众多厂商的软硬件支持，使其在各领域的 应用得到了长足的发展，同时也促进了图形开发软件包和图形开发环境的迅速普 及。虚拟仪器是计算机硬件资源、仪器与实验系统硬件资源和虚拟仪器软件资源 三者的有效结合。在虚拟仪器的图形软件开发平台研究方面，最有代表性的是 l a b v i e w 虚拟仪器软件开发平台。 该类系统大约有两种表现形式。一种是利用磁粉制动器实现对电机的加载用 数据采集卡和定时计数卡实现对电机的控制，利用数字式转矩转速传感器采集 转速与转矩信号：充分利用l a b v i e w 形化开发平台的优势，将电机的控制和测试 变得智能化；在机械结构的设计上，通过不同尺寸联轴器的拆装使该测试系统能 适用于不同电机的控制和特性测量。利用此系统可以方便地对电机的控制性能进 行测试。另一种基于虚拟仪器技术方法的测试系统，则是采用p c i - - 6 0 1 4 数据采集 卡为核心，对多种种类的电机进行性能测试，具有优秀的人机交互界面，操作简 单方便，精度更高；实际结果证明该系统具有良好的实用性和可扩展性。 国外电机测试技术现状 国外微电机行业现在基本上都采用计算机控制的自动测试系统。最著名的生 产企业有美国的m a g t r o l 公司，日本管源、横河和国际计测器公司。m a g t r o l 公司 的h d 系列磁滞测功机从1 8 n m 到最大为5 6 n m ，共1 8 个规格，其中5 6 n m 测 功机由4 个1 4 n m 制动器串联而成，价格要2 3 万美元一台。最近m a g t r o l 公 司开发出最新的采用d s p 的测功机系统，自动加载速度不到1 0 s ，高速采样，采 样过程自动计算惯量。因为d s p 是高速采样，并及时进行惯性量补偿，达到电机 的商精度，高速自动测试。在操作界面上由d o s 界面，发展到w i n d o w s 界面， 有集中n = f ( u 、i 、w 、m 、p 、c o s 由、t 1 ) 的特性曲线，也有同时显示n = f ( u ) 、 n = f ( i ) n = f ( t i ) 等六个特性曲线的w i n d o w s 界面。另外，国外已有大量全虚 拟仪器的电机测试系统，设有显示仪，控制器和功率仪，用软件代替大部分硬件， 可以实现计算机全虚拟化测试。 现在，对于大多数产品，国外已采用1 0 0 试验，在制造终了采用随机抽样试 验已不允许。试验的范围也不断扩大，除了性能试验外，还要进行其他试验，如 安全试验、噪音试验、振动试验等。因为诸如机械损伤、齿轮缺陷、轴承振动和 磨损等，在电气性能试验中不能被检测出来，但它要产生噪声。这里介绍一种由 德国申克公司研制的利用参数认定法进行电机测试的新设备。该参数认定法的基 4 j b 壅童垣盔堂童些亟堂焦j 垒室 l i 言 本思想是通过建立数学模型，仅测量近似空载下( 或电机轴带有惯性飞轮) 的电 流和电压，从而获得电机性能指标；又通过磁头和试验装置联接，测量振动声， 用图形识别法判断电机噪声。其基本原理是被测样机，包括法兰盘、电扇和齿轮， 原则上由一个相应的数字模型来描绘，模型系数直接反应了样机的物理参数，如 绕线电阻和摩擦力矩，其他物理参数由数字模型间接确定。该装置是通过一个磁 头和被测试电机联接，利用一个标准的工业用加速度传感器来测试电机噪声。方 法是噪声数据由一个信号控制，可以用曲线表示。试验期间，将实测曲线与不同 误差等级的标准曲线( 标准曲线是噪声质量好的电机噪声曲线) 相比较，得出噪 声类别，如有无误差、轴承噪声、转子摩擦噪声、不平衡产生的噪声等。该设备 结构简单，可靠性高，检测时间短，是一种全新的微电机检测设备。 1 3 虚拟仪器技术概述 在仪器领域中，传统意义上的仪器是一个独立的装置，有机箱、操作面板、 信号输入输出端，还有开关、旋钮等。一般有信号采集、信号处理和结果显示与 仪器控制三部分组成。在传统仪器里，这三部分都是用电子线路来实现的，即都 是采用硬件来实现的。这种框架式的结构，决定了传统的仪表只能由仪器厂家来 定义、制造，用户无法改变其实现。随着计算机技术的发展，尤其是数字信号处 理技术的进步，实现各种信号处理功能的软件算法精度越来越高，速度越来越快， 在仪器的信号处理部分，用软件代替硬件成为可能，即：用算法代替电子线路， 能够实现传统仪器的信号处理功能，因为结果表达与仪器控制原本就是计算机的 所长。这样，把传统仪器的信号处理、结果表达与仪器控制部分用计算机软件来 实现，而不再采用硬件来实现，基于这种思想形成的仪器，就叫虚拟仪器。 虚拟仪器技术是上世纪9 0 年代初被提出并逐步付诸实现的。该技术利用少 量的标准化硬件模块加上功能强大的图形化编程平台，将计算机技术同仪器技术 完美的结合起来，具有开发周期短、成本低、重复劳动少、易于应用新算法以及 便于升级等特点，已在测控领域里得到了广泛的应用。 虚拟仪器是计算机技术与仪器技术深层次结合的产物，它的发展标志着自动 测试与电子测量仪器领域技术发展出现了一个崭新的方向。虚拟仪器就是在以通 用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义、具有虚拟面板、测试功能由测 试软件实现的一种计算机一体系统。使用者使用鼠标点击虚拟面板，就可以操作 这个平台，就像是操作一台自己设计的传统的电子仪器。在虚拟仪器系统中，硬 件只是为了解决信号的输入输出，软件才是关键，因此在硬件平台确定后，“软件 就是仪器”是虚拟仪器最本质的表述，体现了测试技术与计算机深层次的结合。 美国国家仪器公司( n a t i o n a li 璐衄1 1 t l e n t s ) 于八十年代中期首先提出基于计算机 技术的虚拟仪器( v m u a li m t r u m e n 0 的概念，把虚拟测试技术带入新的发展阶段， 随后研制和推出了基于多种总线系统的虚拟仪器。 无论哪种虚拟仪器系统，都是将各种仪器( 不管是用什么样的总线结构，如 v x l ，p x l ，p c i ，p c m c i a 等) 搭载到笔记本电脑、台式p c 机或工作站等各种计算机 平台( 甚至可以是掌上电脑) ，再加上应用软件组合而成的( 如图卜1 ) 。这样，把计 算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，大大缩小了 仪器硬件的成本和体积，并通过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理。 图卜1 虚拟仪器概念图示 虚拟仪器应用现状 虚拟仪器的国内外发展呈现两条主线：一是g p l b - v x i p x i 总线方式( 适合大型 高精度集成系统) ，二是p e 插卡式* l p t 并行口式、串口u s b 方式搴l e e e 标准的1 3 9 4 口 方式( 适合于普及型的廉价系统，有广阔的应用发展前景) 。 虚拟仪器的突出成就不仅是可以利用p c 机组建成为灵活的虚拟仪器，更重要 的是它可以通过各种不同的接口总线，组建不同规模的自测试系统。它可以借助 6 韭塞銮堑盔堂童些亟兰焦途塞 i l直 不同的接口总线的沟通，将虚拟仪器、带接口总线的各种电子仪器或各种插件单 元，调配并组建成为中小型甚至大型的自动调试系统。因此，虚拟仪器可与计算 机同步发展。随着计算机的广泛深入应用，对虚拟仪器技术的发展和应用速度突 飞猛迸，在包括航天、航空、通信、汽车、半导体、生物医学等世界范围的众多 领域得到广泛的应用，从简单的仪器控制、数据采集到尖端的测试和工业自动化， 从探索研究到技术集成，我们都可以发现虚拟仪器技术应用的成果和开发的产品。 当今虚拟仪器的系统开发采用的总线包括传统的r s 2 3 2 串行总线、g p i b 通用接 口总线、p c i 总线、p x i 总、v x i 总线等，以及已经被p e 机广泛采用的u s b 通用串行 总线和i e e e1 3 9 4 总线。世界各国的公司，特别是美国公司，为使虚拟仪器能够 适应上述各种总线的配置，开发了大量的软件以及适应要求的硬件( 插件) ，可以 灵活地组建不同复杂程度的虚拟仪器自动测试系统 美国m 公司开发的l a b v i e w 和中国c o n v 开发的d a s p 虚拟仪器平台是国内 外具有代表性的两个平台，其软件各有特点，互相不能替代、功能互补。l a b v i e w 平台是一个在国内外具有相当影响和大量用户的虚拟仪器开发平台，它对于一般 仪器的开发商、学校仪器制造专业的教学和提高虚拟仪器的理解，以及一些特殊 的用户是适宜的，但由于它是用于虚拟仪器二次开发的软件，而非作为最终直接 使用的仪器，这对大量的一般直接用户、只想用虚拟仪器马上直接测试分析试验 结果的用户存在局限性。d a s p 平台它是直接面向最终用户的虚拟仪器库，直接可 以使用，不需要再进行编程加工，用起来非常快捷方便、可靠，精度又很高，用 户拿起来就可直接使用。但是，对于专业仪器开发商或者仪器专业自己需开发虚 拟仪器的用户。还有一定的局限性。 网络化是虚拟仪器的未来的发展趋势 随着计算机技术、电子技术、网络通信技术的进步和不断拓展，2 1 世纪的仪 器概念将是一个开放的系统概念。计算机和现代仪器己相互包容，计算机网络也 就是通用的仪器网络。“网络就是仪器”的概念确切地概括了仪器的网络化发展 趋势。计算机技术、传感器技术、网络技术与测量、测控技术的结合使网络化、 分布式测控系统的组建更为方便。以i n t c m e t 为代表的计算机网络技术的迅猛发展 及相关技术的不断完善，使得计算机网络的规模更大、应用更广。目前，在我国 虚拟仪器设计、生产、使用也己经起步。我国有几家企业正在研制p c 虚拟仪器， 7 韭塞銮垣太堂童些亟堂焦论塞j l直 产品己达到一定的批量，国内专家预测：随着微型计算机的发展，各种有关软件 不断诞生，虚拟仪器将会逐步取代传统的测试仪器而成为测试仪器的主流。 虚拟仪器技术的优势 虚拟仪器利用个人计算机强大的图形环境和在线帮助功能，建立虚拟仪器面 板，完成对仪器的控制、数据分析与显示。因此虚拟仪器技术最大的优势就在于 可由用户定义自己的专用仪器系统，且功能灵活，很容易构建，所以应用面极为 广泛。尤其在科研、开发、测量、检测、计量、测控等领域更是不可多得的好工 具。虚拟仪器技术先进，十分符合国际上流行的“硬件软件化”的发展趋势，因 而常被称作“软件仪器”。它功能强大、操作灵活，完全图形化界面，使用简单， 集成方便，不但可以和高速数据采集设备构成自动测量系统，而且可以和控制设 备构成自动控制系统。集成的虚拟测量系统不但使测量人员从繁复的仪器堆中解 放出来，而且还可实现自动测量、自动记录、自动数据处理。其方便之极固不必 多言，而设备成本的大幅降低也非常可观。虚拟仪器最常见的应用是取代传统的 台式仪器，随着插入式数据采集板卡的速率提高和触发技术的改进，插入式数据 采集板技术使台式仪器获得了新生。在虚拟仪器所取代的仪器中，最常见的是示 波器。通过利用虚拟仪器开发软件编制出的虚拟仪器程序，用户可以调整数据采 集卡的动作，使显示器就像一台示波器一样显示输出波形，同时虚拟示波器还可 以进行许多分析工作。 与传统仪器相比，虚拟仪器具有如下优点： 传统仪器虚拟仪器 功能由仪器厂商定义功能可由用户自己定义 以其他仪器设备的连接十分有限可方便地与网络外设和其他仪器设备连接 图形界面小，人工读取数据，信息量小界面图形化，p c 机直接读取数据并处理 数据无法编辑数据可编辑、存储、打印 硬件是关键部分软件是关键部分 价格比较昂贵 价格比传统仪器低廉 系统肺闭、功能固定、可扩展性差基于计算机技术丌放的功能可构成多种仪器 技术更新慢 技术更新快 开发和维护费用高基于软件体系的结构可大量减少开发费用 韭塞銮通友堂主些亟堂焦诠塞l直 由上节可知，虚拟仪器相比传统测试仪器，具有扩展性、灵活性好，成本低 等显著特点。 本测试系统选用虚拟仪器技术开发，除了出于成本和扩展性方面的考虑，还 考虑到铁路机车用辅助电机使用前景本身的特点。比如，实验对象的不确定性等 等。目前我国铁路机车检修过程中存在的局面是诸多型号的电机共存，这种情况 要求测试系统能够测试多种型号不同参数的机器，是个综合性的测试系统。因 此希望在成本较低的前提下，测试系统具有多功能性，可通用性，而且功能可自 定义，以适应测试系统的多变性。采用传统仪器是无法做到这一点的，而虚拟仪 器技术通过软件方式则可以比较好地满足这些要求。针对不同测试情况和要求， 可以分别编写虚拟仪器软件来实现不同功能，或者编写具有一定通用性的软件来 顾及各种情况，这样某些硬件完全可以在不同场合下达到通用的目的。这也使得 虚拟仪器技术更加适合当前研究开发的需要。 1 4 基于虚拟仪器的机车辅助电机测控系统的优点及选题的意义 我们在虚拟仪器领域所有的硬件平台中，选择最合适于本课题的p c d a q 系统， 以数据采集卡、信号调理电路及计算机为仪器硬件平台组成插卡式虚拟仪器系统。 此系统采用计算机本身的p c i 总线，将数据采集卡插入计算机的p c t 插槽中，从而 组成一个功能可靠、简单灵活、成本较低的电机测试系统。比较而言：基于虚拟 仪器的电机试验系统具有如下优点： 1 、能够把先进的计算机技术和仪器仪表技术用于开发一套能完成几类电机多 种试验的多功能电机试验台测控系统，可以大大简化控制电路，节省设备投资。 在这里我们以保护设置为例进行说明。在考虑过电流、过电压和超速保护时， 由于试验台是多功能的。一方面调速、调压和励磁电源要共用。另一方面各种电 机的过电流、过电压和超速保护值都不相同。如果使用传统的保护方式可以能用 两种方式：一是用一套保护装置。做不同的电机时，根据电机参数进行整定。这 显然是不符合实际的想法，是无法满足现场工作需要的。这样就要每种电机设一 套保护装置，不仅使控制电路很复杂，同时也加大了设备投资。我们采取的办法 是在软件中设计了保护子程序，只要在参数录入中将电机的有关参数输入，程序 9 a b 夏窑通太堂重些殛堂僮迨塞! i直 就可以根据这些参数在这种电机进行试验时进行保护。 2 、实现智能化的全自动控制。本系统实现了在操作人员确定接线无误，要求 试验开始后，从电机启动、参数的采集处理、自动采点到停机和试验结果的判断、 特性曲线和报表的生成等全过程的自动化。 3 、可以方便地增加试验电机。由于本系统的是智能化的，如有新的电机需要 做同类试验，只要电机类型和技术参数在本试验台设计范围内，将电机的有关参 数输入，就可以进行试验。 因此，本文选择构建的这种基于虚拟仪器的内燃机车辅助电机试验系统，可 改变传统的电机测试方法，把计算机强大的计算处理能力和仪器设备硬件的测量、 控制能力结合在一起，实现电机测试系统的高精度、适应性、实时性、小型化、 一体化、智能化、网络化，方便了现场的使用；同时该系统是一个开放性系统， 易于